方向自适应的星载光子计数激光测高植被冠层高度估算

星载光子计数激光测高系统具有较高的沿轨距离分辨率,能够探测得到植被冠层和地表的连续高程信息。然而星载植被点云的低点云密度和低信噪比,对植被相对冠层高度的估算方法提出了新的要求。本文提出了一种方向自适应的星载光子计数激光测高植被点云冠高估算方法。首先通过寻找点云高程统计直方图中代表冠层和地面位置的极值进行粗去噪,大致得到信号高程所在的范围,并估算出冠层,地面和噪声点云的平均密度以及地表坡度。随后对粗去噪后的点云进行方向自适应的密度聚类精去噪,其邻域的方向为地表坡度,与密度有关的阈值均根据估算出的点云密度自适应的做出调整。在滤波后,结合点云的密度和高程百分比分别找出地面与树冠顶端的初始点,并通过三角网方法(TIN)扩展初始点以进行分类,最终确定地表与树冠顶端的高程。采用ATLAS星载激光测高仪的植被点云对算法进行了验证,结果表明算法能够正确估算植被冠高,十分适用于坡度较大和叶面积指数较低的地区,其中冠顶与地面的高程和机载LIDAR数据高程的决定系数R^2分别为0.99与0.77,均方根误差RMSE为0.28 m与2.6 m。

星载光子计数激光测高植被冠层高度误差分析

通过建立植被的单光子探测模型,分析和计算了星载光子计数激光测高植被探测中,因单光子探测原理引起的植被冠层高度误差。实验表明,北方针叶林的星载光子计数测高中单次激光脉冲首次探测到的信号光子的平均高程低于LIDAR数据提供的DSM约2.435 m。仿真结果表明,提高发射脉冲能量,减小激光脉冲发散角有助于减小误差,而拥有更高郁闭度和叶面积指数的森林,其本身的探测误差也会相应减小。

基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定

在轨标定技术是影响星载激光雷达光斑定位精度的核心技术之一。介绍了目前国内外星载激光雷达的在轨标定技术发展现状,分析了各类在轨标定技术的特点。针对新型的光子计数模式星载激光雷达的特性,提出了一种基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定新方法,使用仿真点云对标定算法的正确性进行了验证,并分别使用南极麦克莫多干谷和中国连云港地区的地表数据和美国ICESat-2卫星数据进行了交叉验证实验,实验结果表明:算法标定后的点云相对美国国家航空航天局提供的官方点云坐标平面偏移在3 m左右,高程偏移在厘米量级。文中还利用地面人工建筑等特征点对比了算法标定后的点云与官方点云之间的差异,最后对基于自然地表的在轨标定方法的精度以及标定场地形的影响进行了讨论。

星载对地观测光子计数激光雷达去噪方法浅析

光子计数激光雷达因多波束、低耗能、高重频、测量灵敏度高等优点在新一代天基激光雷达中有着不可估量的发展潜力。然而光子计数激光雷达发射的弱光子信号容易与太阳、大气等引起的背景噪声混叠难以区分,严重影响激光数据处理与应用。文章基于光子数据几何特性,从二维剖面映射中的背景去噪与二维图像背景去噪、单级滤波和多级滤波等多个维度,对现有光子计数激光雷达去噪方法进行了归纳和总结,分析和对比了几类方法的优缺点,并指出了未来国产星载单光子计数激光雷达测高数据预处理的主要发展方向为多级滤波去噪。

ICESat-2星载光子计数激光雷达数据处理与应用研究进展

ICESat-2/ATLAS系统首次采用微脉冲多波束光子计数激光雷达技术,其在探测方式、数据处理方法、应用的广度和深度等方面与ICESat-1/GLAS存在明显差异。首先介绍了ICESat-2及ATLAS的性能指标、数据特点和产品信息,详细分析了光子点云去噪和分类两个关键技术,以及各算法的适应性及难点,总结了ICESat-2数据在冰盖和海冰高程测量及其变化监测、地面高程提取、森林高度提取和生物量估算、湖泊水位和蓄水量变化监测等方面的应用,最后展望了光子数据处理和应用的发展趋势和前景。

星载光子计数激光雷达数据森林高度及林下地形反演研究进展

森林高度是衡量森林生物量、森林生态系统碳汇的重要参数,位于森林下的地形(林下地形)是支撑国家重大基础设施建设、灾害监测的战略信息资源。新一代星载激光雷达ICESat-2/ATLAS采用一种多波束微脉冲的光子计数技术,以10 kHz的重复频率对地发射激光脉冲,从而导致出现间隔为0.7 m、光斑半径为8.5 m的重叠光斑。相比于ICESat-1/GLAS,ICESat-2/ATLAS具有更高的空间采样率以及对坡度的不敏感性,是目前反演森林高度参数和林下地形的重要手段。本文介绍了ICESat-2/ATLAS的主要参数指标,总结了各类误差因素对ATL08官方产品的影响,分析了各种森林区光子点云滤波方法、ICESat-2林下地形反演方法及森林高度参数反演方法的适用性及面临的主要问题,展望了ICESat-2/ATLAS光子点云滤波、林下地形及森林高度参数反演的发展趋势及应用前景。

星载激光测高技术进展

星载激光(雷达)测高技术已经逐步成为全方位全球观测的技术手段之一,其高测量精度、全天时测量能力、高效三维测量的特点在许多科学领域都具有独特的优势。本文讨论当前两类星载激光测高技术的工作原理、数据处理方法,并探讨了星载激光测高数据在对地观测和深空观测科学研究中的代表性应用;最后展望了未来星载激光测高技术的发展趋势。期望本文对从事星载激光测高研究、开发和应用的同行们有所裨益。

星载激光测高技术在测绘中的应用和发展

激光测高技术在空间应用中具有重要科学意义和价值,在高精度卫星测绘系统中已得到应用验证,显著提升了立体影像的高程精度。目前对该技术相应的总结及分析较少,因此分析其应用和发展能为后续研究提供基础理论。文章简述了星载激光测高定位机理和误差源,并介绍了激光测高数据作为高程控制点的扩展应用方法。通过分析国外典型星载激光测高系统技术和发展脉络,对星载激光测高技术发展趋势及应用进行了总结,给出了适应不同任务需求的星载激光测高载荷的应用建议;对星载激光测高系统中所涉及的星载激光测距和激光指向测量技术及发展进行了分析和对比;最后,给出了国内星载激光测高技术的部分成果及研究进展。

星载激光雷达森林探测进展及趋势

森林是陆地上组成结构最复杂的生态系统,星载激光雷达兼具高垂直分辨率的优势和大范围数据获取的特点,在大区域尺度的森林参数定量反演方面具有独特的优势。从全波形激光雷达、光子计数激光雷达、成像激光雷达的技术特点、数据处理和森林参数提取等方面,总结了国内外森林探测激光雷达卫星载荷的发展、参数设置及应用潜力,以服务我国星载激光雷达森林探测系统的建设和发展。结合激光雷达辐射传输模型,探讨适合森林探测的激光雷达传感器参数方案,并以ICESat卫星的地球科学测高系统(GLAS)和先进地形激光测高系统(ATLAS)数据为例,探讨星载激光雷达的森林参数反演方法,最后总结梳理了现有星载载荷的优劣并给出后续载荷发展的建议。

优化EMD的卫星激光测高数据地面点直接提取算法

ICESat-2卫星是全球首颗光子计数激光雷达卫星,其探测性能达到了一个全新的高度。探测数据的处理是决定其最终产品质量的关键因素,而地面点提取是其中的一项重要工作。目前ATLAS激光测高光子数据普遍采用先滤波再分类的方法进行地面点提取,存在着受全局阈值影响大、提取地面点数量少的问题,提出一种基于优化EMD的地面点直接提取算法。该算法通过最大类间方差法对EMD算法进行了优化,并结合潜在地面点缓冲区和百分位数法从原始光子数据中直接提取出精确的初始地面点,在此基础上利用渐进加密法实现了其它地面点的准确提取。针对登封地区4轨ATLAS数据的实验结果得出,本文算法较改进的椭圆邻域密度法显著提高了正确地面点的提取数量,减小了信号点损失,并得到了与实际地面更加吻合的地表曲线,可为后续地形和植被分析提供更加准确的分类数据。

新型激光测高卫星ICESat-2在地学中的应用前景综述

全球新一代的激光测高卫星ICESat-2(Ice,Cloud and land Elevation Satellite-2)已于2018年9月15日升空,与线性体制激光测高卫星相比,该卫星搭载了先进地形激光测高系统(ATLAS,Advanced Topographic Laser Altimeter System),采用高重频、微脉冲、多波束的光子计数新技术,数据的采样率、覆盖能力及精度均有较大提升。本文就ICESat-2/ATLAS的技术参数、产品分级和数据应用进行了梳理,对我国光子体制激光测高卫星的发展具有一定的借鉴意义。

基于伪随机码调制和单光子计数的星载测高计仿真

为使星载激光高度计实现高空间分辨率，提出了一种联合采用伪随机码调制光纤激光器和单光子计数的测距方法。讨论了此方法的实施方案，推导了此方法用于测高时的信噪比公式。对方案中的激光发射功率、接收望远镜口径对信噪比的影响进行了数值模拟。对系统参数进行分析，得到了相关参数的关系和优化的参数。结果表明接收望远镜口径为0．8～1m，激光出射功率约为10w，伪随机码调制宽度为600μs，调制速率为1GHz时。荩于伪随机码调制和单光子计数的星载激光测高计能够使系统信噪比达到10，距离分辨率达到15cm。

ICESat-2数据背景光子特性及滤波方法研究

ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite-2)是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星,可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外,还包含大气散射等背景信号,需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性,本文首先选取了六种地表覆盖类型(城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川)及不同观测条件的数据,对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明:白天观测数据的背景光子率平均为106(点/秒)数量级,远高于夜晚观测数据的背景光子率——104(点/秒)数量级,弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当,六种地表覆盖类型中,冰盖/冰川的背景光子率最高。然后,根据统计结果筛选出21组测高数据,并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验,分析精度后得出结论:改进局部密度法的去噪效果最佳,算法召回率、精准度和F值均大于0.90,算法较为稳定。最后,对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析,可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。

基于原始探测光子泊松分布特性的直方图去噪算法研究

ICESat-2作为新一代多波束激光测高卫星采用了光子计数体制,其探测数据中存在大量噪声,造成光子数据在轨处理和传输时面临巨大挑战。为了在轨高效地对原始探测数据进行去噪处理,以降低星地传输数据量,本文设计了一种基于原始探测光子泊松分布特性的直方图去噪算法。该算法分为光子点云的垂直直方图化和倾斜直方图化。首先,根据光子传输距离将点云数据段划分为二维格网形成垂直直方图,利用直方图箱光子数的均值和标准差计算信噪分离阈值,并对信号光子赋予低、中和高置信度标签来表征信号可靠性;其次,对识别的中、高置信度光子进行线性拟合获取坡度信息,将光子传输距离投影到沿坡面垂直的方向形成倾斜直方图,进行二次信号光子识别且合并置信度标签;最后,对噪声光子进行剔除以实现原始数据的压缩下传。同时,本文对比研究了基于密度的空间聚类应用(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)算法和对点排序以识别聚类结构(Ordering Points to Identify the Clustering Structure,OPTICS)算法性能。通过8种地类的ATL02数据开展测试实验,结果表明,DBSCAN算法会导致信号光子丢失,而OPTICS算法会产生虚假信号簇,相比之下,直方图算法有效避免了这些问题的产生,并且在实验中对不同地类具有较好的稳健性和适应性。在直方图算法中,垂直直方图算法对信号光子召回率R均为1,查准率P和调和F值平均在0.90以上,相较于垂直+倾斜直方图、DBSCAN和OPTICS的运行效率分别达到12倍、3473倍和1528倍以上,平均运行时间仅0.048 s,可高效实现数据去噪。垂直直方图算法去噪结果初步满足在轨处理效率要求(<0.25 s),本文有望为未来星载光子计数激光雷达数据的在轨去噪提供技术参考。

适用于海岛的ICESat-2高程控制点提取方法

针对海岛控制信息获取困难这一现实问题,提出一种基于ICESat-2 ATL08数据的海岛高程控制点提取方法。首先,通过水域掩膜标记与参考高程数据,去除数据中的海域点与粗差点,降低后续处理的数据量;然后,综合分析大气环境、信噪比、数据完整性等因素对高程值的影响,构建多参数约束初步筛选数据;最后,充分利用数据中的已有参数信息,结合控制点精度指标设计自适应地形阈值对高程控制点进行精细化提取。以波多黎各部分离岛及美属维尔京群岛高精度DEM(Digital Elevation Model)数据验证所提取高程控制点的准确性,实验结果表明:相较于原始数据,本文方法提取的高程控制点在平地、丘陵和山地区域的平均绝对误差与中误差分别从2.65 m/7.23 m、3.92 m/7.65 m、4.93 m/8.29 m减小为0.28 m/0.61 m、0.46 m/0.79 m、0.63 m/0.89 m;在保证精度的前提下,本文方法提取的高程控制点数量显著多于现有方法;利用本文方法,可从海岛区域提取一定数量、精度可靠的高程控制点,能为后续全球海图修测与质量控制提供有力数据支撑。